大物实验绪论1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大学物理实验,杭州电子科技大学物理实验中心,课 程 简 介,物理实验是物理学发展的基础。本课程是为本科生了解基本物理实验内容而设立的。由基础实验、设计实验、综合性实验等组成。总课时为,72,学时，分两学期完成。,本教学系统主要由教材、多媒体课件等构成学生实验操作前的预习体系。要求同学在进入实验室前必须写好预习报告，并在实验过程中，发挥自主实验的能动性，积极探索。,绪论,大学物理实验课程的安排,总课时,72,学时，分两学期完成：,本学期完成：大学物理实验甲（,1,）,40,学时,第,1,周：理论,3,学时,第,215,周：完成,11,个实验，具体内容如下：,实验三 空气比热容比的测定（,实习一、二,）,实验四 导热系数的测定,实验五 转动惯量的测量,实验六 液体表面张力系数的测量,实验十 电位差计的原理和使用,实验十一 示波器的使用,实验十二 螺线管轴向磁感应强度分布的测定（霍尔效应及其应用）,实验十三 硅光电池的特性及其应用,实验二十一 分光计（,实习一,）,实验二十五 电子束的偏转与聚焦及电子荷质比的测定,（实习一、二）,实验四十 伏安法测非线性电阻,成绩评定及学习方法,1,、期末成绩的评定,期末考试形式：本学期：笔试,下学期：操作考试,期末考试,：,30%,平时成绩,：,70%,期末成绩,2,、学习方法,-,三环节,（,1,）预习：预习是实验的基础。,要求如下：,了解：目的,原理,方法,步骤,注意事项,思考题,掌握：仪器原理,使用方法,写出预习报告：实验目的,简要原理,列出实验仪器,数据表格,注意事项,注意：,A,）列出数据记录表格，标明实验条件和实验参数，单位和数量级。,B,）没有预习报告不能进入实验室做实验,（,2,）课堂实验：课堂实验是实验的主体。独立性。,要求如下：,正确连接实验仪器或实验装置。,按仪器操作规程调整仪器，合理选择量程。,细心操作,观察实验现象,-,记录数据（正确表示有效数字和单位）。,分析数据和结果。实验数据与标准数据有差别，不能笼统说实验结果不好。误差在允许范围内，就正常。误差太大，要分析原因，解决。,不能拼凑数据。,（,3,）实验报告：,实验报告是实验工作的总结。,实验报告一般包括以下几个部分。,（,1,）实验目的,（,2,）实验原理,（,3,）实验仪器（注明型号、规格）,（,4,）数据处理（包括：数据表格、图表、计算结果、误差计算及结论分析）,（,5,）误差分析（文字叙述，分析误差产生的主要原因）,（,6,）分析讨论题及心得体会,注意：,每次实验报告的批改，都有一个评分标准，老师按评分标准给出成绩。,实验报告绝对不能互相抄袭，凑数据，要实事求是，不合格重做。,3.,平时成绩的评定办法,（,1,）每个实验按,100,分计,预习报告：,20,分,实验操作：,30,分,实验报告：,50,分,（,2,）如果做了实验但不交实验报告，则该次实验不及格（一般为,40,分）；,（,3,）如发现抄袭实验报告，则退回重写报告或给,0,分。,实验选课系统,打开理学院主页,点击 “物理实验选课”,先注册,用户名：学号,密码：,123456,选课：每次只能选择一个实验，预选从周六,7:00,开始到下周五,24:00,结束,预约实验：,从,2,月,26,日,7:003,月,4,日,24:00,选第,3,周要做的实验；,3,月,5,日,7:003,月,11,日 选第四周的实验；依次类推,但要注意：,1,、周五的时候要上网查看一下是否预约成功，因为实验分组进行，每组,15-20,人，少于,15,人系统会在周四的时候自动取消。若被取消，则重新选择其他还不满,20,人的实验。,2,、预约成功后不能旷课，旷课,2,次，系统会取消预约资格。,周次,SUN,MON,TUE,WED,THU,FRI,SAT,1,20,21,22,23,24,25,26,2,27,28,周次,SUN,MON,TUE,WED,THU,FRI,SAT,2,01,02,03,04,05,3,06,07,08,09,10,11,12,4,13,14,15,16,17,18,19,5,20,21,22,23,24,25,26,6,27,28,29,30,31,第一章实验误差和数据处理基本知识,要点：,一、测量与误差,二、偶然误差的估算,三、实验不确定度,四、有效数字的概念和运算,五、实验数据的处理方法,六、对同学的基本要求,一.测量与误差,由于物理实验是测量工作，一般地，不可能得到真正的真值，即存在一定的偏差。偏差的大小反映了测量的可信的程度。另外，从偏差的分析中也可能发现新现象和新规律。,1、测量,（,1,）测量的定义,用一个作为标准单位的物理量与被测量进行比较，其倍数即为被测量的大小，标准量作为单位。,（,3,）测量的分类：,A,按测量方法分：,直接测量和间接测量,直接测量,：,可以用仪器或仪表直接测出被测量的测量。如用米尺测长度,L，,物理天平称量质量,m,等,.,直接测量又分单次测量和多次测量,间接测量,：,无法进行直接测量,需先测出与待测量有一定函数关系的直接测量量，然后经过一定的数学运算才能得到结果的测量。如用单摆法测重量加速度,.,（,2,）,测量的四要素：测量对象、测量单位、测量方法和测量准确度,B,按测量条件分：等精度测量和非等精度测量,等精度测量：在同等条件下进行的多次重复性测量。,即实验环境、人员、仪器、方法等相同不变，对同一个待测量进行多次重复测量。,非等精度测量：在特定的不同条件下，用不同的仪器、不同的测量方法、不同的测量次数和不同的实验人员进行的测量和研究。,主要用于高精度的测量中,实验中常用的测量主要是单次测量、等精度测量和间接测量。当测量精度要求不高时用单次测量。,（,4,）测量的方法,测量的方法很多，常用的有：直读测量法、比较测量法、替代测量法、放大测量法、平衡测量法、模拟测量法、几何光学测量法、干涉测量法和衍射测量法等等,误差,真值：,在某一时空状态下，被测量所具有的客观实际值,（1）误差的定义：,误差=测量值-真值,由于真值常常未知，无法得到误差。,偏差：测量值与算术平均值的差，即：,（2）误差的来源：实验环境、实验仪器、实验方法和实验人员,特点,：,普遍存在；是小量。,3.,误差分类（按性质分）,（,1,）,系统误差：,在对同一被测量的多次重复测量过程中，误差为常数或以一定规律变化的称为系统误差。,又,分为已定系统误差和未定系统误差,特点,确定性,系统误差产生的原因：,a.,测量仪器本身的缺陷,b.,测量方法或计算公式的近似性,c.,测量条件（环境等）与所使用仪器的规定使用条件不符,d.,实验者的不良习惯,系统误差的消除,对已定系统误差的消除,A,、消除产生系统误差的根源（如先进行仪器校对，再进行测量）,B,、找出修正值对测量进行修正：实际值,=,测量值,-,修正值,对未定系统误差的消除,A,、替代法,B,、交换法,C,、异号法,D,、半周期法,注意：多次测量既不能减小系统误差，更不能消除系统误差。,2）偶然误差,：,对同一量的多次重复测量中，误差变化是随机的，忽大忽小，忽正忽负，没有规律。,特点,随机性,。,当测量次数比较多时就满足一种规律,统计规律。大多数偶然误差遵从正态分布（也称高斯分布），分布函数为：,正态分布具有,4,个特性：,a.,单峰性：,小误差出现的概率比大误差出现的概率大,；,b.,对称性：,绝对值相等的正负误差出现的概率相同,；,c.,有界性：,在一定条件下，误差的绝对值不超过一定的界限；,d.,抵偿性：,偶然误差的算术平均值随测量次数的增加而趋向于零。,(3)粗大误差（过失误差）：,读数错误、记录错误、计算错误等。这属于不正常的测量范畴，应尽量避免。,二、偶然误差的估算,物理实验中多次独立测量得到的数据一般可以近似看作服从正态分布（高斯分布）。,x(=x,i,-x,0,),为误差，,称为标准,误,差，,+,D,-,x,曲线与,x,轴之间所包围的面积等于1。随机误差落在区域-,，,之内的概率为,P,这表示作任何一次测量时，测量值的误差落在,-,，+,区间的概率是68.3%,若把区间范围扩大到,-2,，+2,，则概率为95.4%;落到-3,，+3,区间的概率为99.7%。,1,、用标准偏差估算,（,1,）直接测量,A,先求算术平均值：,B,按贝塞耳公式求出,标准偏差,x,：,注意这是在有限次测量时，任何一次测量的标准偏差。,对算术平均值为结果时，平均值的标准偏差应为：,C,结果表达式,或,在实际测量中，有的测量不能或不需要重复多次测量；或者仪器精度不高，测量条件比较稳定，多次重复测量的结果相近，则只需单次测量即可。用仪器误差,仪,计算。,结果表达式,（,2,）间接测量,结果表达式,三、实验不确定度（,测量结果不确定度,）,2,、不确定度的分类 （,1,）,A,类不确定度：是对随机误差的统计处理，常用平均值的标准偏差估算。,1,、不确定度的定义,不确定度是由于测量误差的存在而造成对被测量值不能确定的程度。,（,2,）,B,类不确定度：是对未定系统误差大多按均匀分布进行的非统计处理。,仪器是一种产品，作为一个结果，它的不可靠量值应该是不确定度,仪,。它在测量中产生未定系统误差，该误差大多服从均匀分布。,仪器不确定度的获得：,（,1,）,由仪器或说明书中给出（,2,）仪器的准确度等级（,3,）估计：对连续读数的仪器取,仪,=1/2,分度值 对非连续读数的仪器取,仪,=,分度值,-,仪,f,(,),仪,2,仪,1,（,3,）合成不确定度,（,4,）相对不确定度,（X,0,是指公认值或理论值）,%,100,0,0,-,=,x,x,x,A,百分比误差,例：用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度,L,，6,次测量结果如下（单位,mm）：25.08，25.14，25.06,25.10,25.06,25.10,则：测得值的最佳估计值为:,测量列的标准偏差:,相对误差：,结果表达式：,-,%,1,.,0,%,100,=,=,L,E,L,r,s,用不确定表示,用不确定表示,结果表达式：,注意：,1.,误差本身只是一个估计的范围，因此在一般情况下表示最后结果的不确定度只取一位有效位数,2.相对不确定,E,：,1%,保留一位有效位数；,1%保留二位有效位数,间接测量的不确定度,间接测量的相对不确定度,间接测量偶然误差估算的举例,结果表达式：,解：圆柱体的体积为,=3.017,10,3,mm,3,例1 设有一圆柱体，其直径为,d,=9.800,0.005mm，,高度,h=40.00,0.06mm，,求圆柱体的体积,V、,标准偏差,v,和,E,r,。,例,四、有效数字表示法及运算规则,在实验中我们所测的被测量都是含有误差的数值，对这些数值不能任意取舍，要正确地反映出测量值的准确度。所以在记录数据、计算以及书写测量结果时，要求用有效数字来正确表达,。,定义：所有的准确数加一位可疑数称为有效数字,7.0,mm,(1)有效数字的位数与仪器的精度（最小分度值）有关，,有效位数越多，表明测量的准确度越高。,(2),“,0,”,的特殊性：如15.10,mm 0.01510m,(3)有效数值书写时应注意：有效数值的位数与小数点位置无关。也不因使用的单位不同而改变。,例如,重力加速度某人测量值为980,cm/s,2,改写单位为,m/s,2,仍为三位有效数字，即9.80,m/s,2,(,9.8m/s,2,注意0不可随意添减)。若以,mm/s,2,为单位,应写成9.80,10,3,mm/s,2,，,不能写成9800,mm/s,2,.,有效数字在记录中应注意下列几点：,(4)误差的取位和结果的表示：误差本身是一个估计的范围，所以在普通物理实验中，一般情况下误差的位数只取一位。测量量的平均值的最后一位应与误差所在位对齐。,进位法则：,四舍六入五凑偶,并规定，若拟舍弃数字5，而其后尚有非零数，则进位。,如：9.8245,m/s,9.82,m/s,9.8251,m/s,9.83,m/s,9.8250,m/s,9.82,m/s,9.8150,m/s,9.82,m/s,(5)常数不作有效数字对待,如:,L=2R =3.1416,2.乘除运算：,其结果的有效数字位数按各因子中的最少有效数字位数取舍。,例如：5.348,205=1.10,10,3,在运算过程中的有效数字取舍，一般遵循：1.加减运算：,以参与运算的末位最高的数为准,（,即竖式对齐,）例如：12.4+0.571=13.0,3.乘方、开方运算：其结果的有效数字位数与底数的有效位数相同。,例如：1,.22,2,=1.49,4.对数,、,三角函数和,n,次方的运算：其结果的有效数字位数必须按照误差传递公式来决定。,例：已知,求,y,解：,直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度,游标类器具：,游标卡尺、,分光计度盘、,大气压计等,读至游标最小分度的整数倍，即不需估读。,数显仪表及有十进步式标度盘的仪表,（,电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等,）,一般直接读取仪表的显示值。,指针式仪表及其它器具,读数时估读到仪器最小分度的1/21/10，或使估读间隔不大于仪器基本误差限的1/51/3,。,直接读数注意事项,注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数,。,数值书写的要求,1).,有效数字的,位数,是由误差来确定。测量值的,最后一位应与误差所在位对齐,。一般地，误差只取一位，不可多取。,例如：,S=(2.35,0.03)cm,2,。,2).,为方便起见，对较大或较小的数值，常采用科学记数法，,即使用,10,n,的形式，例如重力加速度可写成9.80,10,-3,km/s,2,；,阿伏加德罗常数6.02214199,10,23,/,mol,等等。,3).结果是由,间接测量,得到的，其有效数字由算出结果的,标准偏差,确定。在没有给出各数值的标准偏差时，根据有效数字的运算规则决定。,4).,一个完整的测量结果表达式应有几部分组成：,结果的代表符=（数值,不确定度）单位,例如：,N=(3.456,0.002)cm,有效数字应用举例,：,6.600,6.0=1.1,(6788+67.88),2.0=1.4,10,4,(44000002000),m,的正确表达式,（440.00.2)10,4,m,12,3,3=510,3,1.,数据整理的重要步骤-列表法：,在原始数据记录以及整理数据时，都要进行正规列表。将各量的关系有序地排列成表格形式。既有利于一目了然地表示各物理量之间的关系，又便于发现实验中的问题。,五.实验数据的处理方法,经过实验的测量得到一批数据，然而从这些数据中得出有意义的结果就必须经过正确的数据处理。因此数据处理也物理实验的重要环节,。,数据处理的表格法-,逐差法：,在有些实验中，我们连续取得一些数据。如果依次相减，就会发现中间许多数据并未发挥作用，而影响到实验的可靠性。例如：金属杨氏弹性模量实验和等厚干涉的牛顿环实验等。,在金属杨氏弹性模量实验中，连续测量钢丝的伸长位置为：,A,1,、A,2,、A,3,、A,4,、A,5,、A,6,、A,7,、A,8,、A,9,、A,10,等10个数据。若为求钢丝的伸长量，依次相减，则伸长量,A,有：,中间各次测量均未起到作用。,9,9,),(,),(,),(,1,10,9,10,2,3,1,2,A,A,A,A,A,A,A,A,A,-,=,-,+,+,-,+,-,=,D,L,为发挥多次测量的优越性，将数据分成前后两组：,A,1,、A,2,、A,3,、A,4,、A,5,为一组，,A,6,、A,7,、A,8,、A,9,、A,10,为另一组；,将这两组对应相减，得出5组，且每一组相减间距是,原来临近间距的5倍，这样有：,这种处理数据的方法称为,逐差法,。,此法的优点是充分利用所测的数据，有利于减少测量的随机误差和仪器带来的误差。是实验中常用的处理数据的方法。为了直观和便于处理，也常用列表格方法来表示。,5,5,),(,),(,),(,),(,),(,5,10,4,9,3,8,2,7,1,6,-,+,-,+,-,+,-,+,-,=,D,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,例 实验一金属杨氏弹性模量的数据处理,：,序号,作用力,F=mg(N),标尺读数,S(,cm,),作用力差,39.2,牛顿时的读数差,S(,cm,),S,的绝对误,差,(,S)(,cm,),增砝码时,减砝码时,平均值,1,0,0.00,0.10,0.05,3.61,(,S),1,=0.03,2,1,9.80,0.99,1.00,1.00,3.55,(,S),2,=0.03,3,2,9.80,1.80,1.90,1.85,3.60,(,S),3,=0.02,4,3,9.80,2.70,2.80,2.75,3.57,(,S),4,=0.01,5,4,9.80,3.62,3.70,3.66,6,5,9.80,4.51,4.59,4.55,7,6,9.80,5.40,5.49,5.45,8,7,9.80,6.32,6.32,6.32,作图法可以分为二种：,一、,图示法,，,它用图形曲线来表达物理量的变化。例如静电场模拟实验。,二、,图解法,，,它是用作图的方法来寻求两个物理测量量的解析关系。,2.作图法处理实验数据,2-1图示法,是用图形来表达物,理量的变化。如静,电场模拟实验中就,是采用此法。,从图示法中，有时,也能得出定量的结,果。,2-2 图解法处理实验数据,图解法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，,也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处,理方法。,作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。,作图步骤,：,实验数据列表如下,1,、选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小，坐标分度值的选取应能反映测量值的有效位数，一般以 12,mm,对应于测量仪表的最小分度值或对应于测量值的次末位数）。,作图六点要求：,U,(,V,),0.74,1.52,2.33,3.08,3.66,4.49,5.24,5.98,6.76,7.50,I,(,mA,),2.00,4.01,6.22,8.20,9.75,12.00,13.99,15.92,18.00,20.01,2、标明坐标轴：,用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。,4、连成图线：,用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。一般不强求直线或曲线通过每个实验点，应使图线两边的实验点与图线最为接近且分布大体均匀。图线正穿过实验点时可以在点处断开。,3、标实验点：,实验点可用,“,+,”,、,“,*,”,、,“,。,”,等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号）。,I,(,mA,),U,(V),8.00,4.00,20.00,16.00,12.00,18.00,14.00,10.00,6.00,2.00,0,2.00,4.00,6.00,8.00,10.00,1.00,3.00,5.00,7.00,9.00,由图上,A,、,B,两点可得被测电阻,R,为：,A,(1.00,2.76),B,(7.00,18.58),5.标出图线特征：,在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。利用所绘直线可给出被测电阻,R,大小：从所绘直线上读取两点,A,、,B,的坐标就可求出,R,值。,6.标出图名：,在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。,电阻伏安特性曲线,图2,I,(,mA,),U,(V),0,2.00,8.00,4.00,20.00,16.00,12.00,18.00,14.00,10.00,6.00,2.00,1.00,3.00,电学元件伏安特性曲线,横轴坐标分度选取不当。,横轴以3,cm,代表1,V，,使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，,一般以1,mm,代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。,改正为：,I,(,mA,),U,(V),o,1.00,2.00,3.00,4.00,8.00,4.00,20.00,16.00,12.00,18.00,14.00,10.00,6.00,2.00,电学元件伏安特性曲线,1.2000,1.6000,0.8000,0.4000,定容气体压强温度曲线,图3,P,(10,5,Pa),t,(,),60.00,140.00,100.00,o,120.00,80.00,40.00,20.00,图纸使用不当。实际作图时，坐标原点的读数可以不从零开始,。,改正为：,定容气体压强温度曲线,1.0000,1.1500,1.2000,1.1000,1.0500,P,(10,5,Pa),50.00,90.00,70.00,20.00,80.00,60.00,40.00,30.00,t,(,),六、对同学的基本要求,1.及时预约实验，按时做实验，不要随意缺课。,2.做好预习,写好预习报告。,教师在课上要检查预习情况，记录预习成绩。,3.到实验室在动手前先了解仪器的使用方法和规则。,尤其是人身和仪器的安全。实验中要仔细观察和记录。分析实验过程的合理性与规律。,4.应及时交实验报告。本次实验报告在下次实验时交给任课教师。,作,业：教材,P30-31,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,说明：,1.,本次作业的成绩（满分,100,），列为平时成绩；,2.,作业写在信纸或,A4,纸上，注明学号,姓名,选课时段,周五晚上,3.,交作业地点：第六教学科研楼,南楼,二楼大厅信箱,-,黄华,谢谢，再见！,